鏈接：
http://m.shnenglu.com/rise-worlds/archive/2009/04/22/80699.html
引言：
GameBryo擁有一套復(fù)雜的材質(zhì)系統(tǒng)，這套材質(zhì)系統(tǒng)可以根據(jù)渲染對(duì)象的狀態(tài)和屬性生成不同的shader代碼，提高了渲染流程的適應(yīng)性，可以使你定義一套材質(zhì)能適應(yīng)多種渲染對(duì)象。同時(shí)，GameByro將shader的初始化和使用插件化，方便與美術(shù)工具集成，并且實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)無關(guān)性。為了實(shí)現(xiàn)這些目的，GameByro使用了一套復(fù)雜的機(jī)制，本文主要解析GameByro如何生成、編譯并使用shader代碼。
Shader
GameBryo的shader的接口封裝在NiShader中，頂點(diǎn)數(shù)據(jù)流聲明，常量表的訪問，渲染狀態(tài)的設(shè)置都是通過這個(gè)類（有點(diǎn)類似于D3Deffect）。在程序運(yùn)行NiShader是由NiShaderFactory負(fù)責(zé)管理的，NiShaderFactory通過NiShaderLibrary從文件中創(chuàng)建shader，用全局性的map管理起來。NiShaderLibrary通過解析shader文本創(chuàng)建NiShader對(duì)象，并調(diào)用3D圖形接口編譯shader代碼，將這個(gè)類以dll的形式封裝，就可以作為插件來使用。NiShader類的創(chuàng)建可以通過解析文件來進(jìn)行，也可以通過C++的類來定制，只需從NiShader上繼承即可。GameByro為PC平臺(tái)提供了一個(gè)NiD3DXEffectShaderLib庫，這個(gè)庫提供了解析shader文件和初始化shader對(duì)象的功能。用戶只需按GameByro定義的格式編寫shader代碼的語意和注釋，NiD3DXEffectShaderLibrary就會(huì)根據(jù)文本來創(chuàng)建NiD3Dshader對(duì)象，在應(yīng)用程序中就可以通過Techinqe的名稱來訪問這個(gè)對(duì)象。通過這種機(jī)制，我們將shader文本文件放在相關(guān)美術(shù)工具指定的目錄下，在工具中就可以使用這些shader，并且能夠通過shader的語意和注釋為相關(guān)參數(shù)和變量生成UI，方便美術(shù)調(diào)試。
WIN平臺(tái)上的整個(gè)流程如下：
1. 應(yīng)用程序在啟動(dòng)時(shí)會(huì)先初始化整個(gè)shader系統(tǒng)，接下來導(dǎo)入Shader解析庫和加載庫（dll的形式）。
2. 接下來應(yīng)用程序?qū)iD3DShader的初始化工作委托給NiShaderLibrary來處理，NiShaderLibrary首先通過NiD3DXEffectLoader載入所有的shader文本文件，并通過NiD3DXEffectParser解析文本生成NiD3DXEffectFile對(duì)象，同時(shí)NiD3DXEffectLoader還負(fù)責(zé)將shader代碼編譯成二進(jìn)制形式的GPU程序。
3. 最后由NiD3DXEffectTechnique負(fù)責(zé)通過NiD3DXEffectFile上的信息生成NiD3Dshader對(duì)象。
4. 所有的shader對(duì)象創(chuàng)建后，NiShaderLibrary的初始化就結(jié)束了，最后由NiShaderFactory負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理。
材質(zhì)：
NiMaterial為渲染對(duì)象生成和定義Shader,NiMaterialInstance為渲染對(duì)象分配 和Cach Shader。NiFragmentMaterial提供了一個(gè)Shader Tree框架，在它的繼承類中可以使用這個(gè)框架搭建shader tree。這個(gè)機(jī)制允許NiFragmentMaterial根據(jù)對(duì)象不同的渲染狀態(tài)生成不同的shader代碼，Cach在內(nèi)存中，并保存到磁盤文件。GameByro描述符的概念大量使用，包括前面提到的Shader解析過程也是通過描述符來傳遞信息。在材質(zhì)系統(tǒng)中主要使用了NiMaterialDescriptor和NiGPUProgramDescriptor這個(gè)兩個(gè)類做描述符，這兩個(gè)類中保存的信息是兼容的，都是為了描述某種材質(zhì)在渲染對(duì)象的某一特定渲染狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的GPU程序的特征。NiFragmentMaterial通過渲染目標(biāo)的狀態(tài)和屬性生成NiMaterialDescriptor，并通過NiMaterialDescriptor查找匹配的shader，如果找不到，則通過shader tree生成相應(yīng)的shader程序，并保存到磁盤文件中。當(dāng)下一次應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)就可以通過這個(gè)文件直接創(chuàng)建NiShader對(duì)象。可以說通過NiFragmentMaterial生成的shader代碼是為特定的渲染對(duì)象在特定的情況下量身打造的。
整個(gè)過程的詳細(xì)流程如下：
1. 在每次渲染一個(gè)物體之前，NiMaterialInstance會(huì)先判斷這個(gè)物體的shader程序是否需要更新，如果不需要更新，就直接返回當(dāng)前Cach的NiShader；如果需要更新， NiMaterialInstance首先會(huì)根據(jù)物體的渲染狀態(tài)為其生成一個(gè)NiMaterialDescriptor，然后將這個(gè)NiMaterialDescriptor和當(dāng)前Cach住的NiShader進(jìn)行比較，如果匹配仍然返回當(dāng)前Cach的NiShader，如果不匹配，將獲得shader的工作轉(zhuǎn)交給NiMaterial進(jìn)行。
2. NiMaterial首先通過這個(gè)NiShaderFactory 查詢匹配這個(gè)NiMaterialDescriptor的NiShader，如果找不到，就通過NiMaterialDescriptor生成NiShader，同時(shí)生成一段Shader代碼，并保存到以shader描述符中的特征碼來命名對(duì)應(yīng)的shader文件。
3. 當(dāng)獲得相應(yīng)的NiShader對(duì)象后，NiMaterialInstance會(huì)調(diào)用NiShader的SetupGeometry接口，在這個(gè)接口中會(huì)進(jìn)行頂點(diǎn)聲明。
以下是NiMaterialInstance為Geometry選擇shader的代碼：
NiShader* NiMaterialInstance::GetCurrentShader(NiRenderObject* pkGeometry,
const NiPropertyState* pkState,
const NiDynamicEffectState* pkEffects)
{
if (m_spMaterial)
{
bool bGetNewShader = m_eNeedsUpdate == DIRTY;
if (m_eNeedsUpdate == UNKNOWN)
bGetNewShader = pkGeometry->GetMaterialNeedsUpdateDefault();
// Check if shader is still current
if (bGetNewShader && m_spCachedShader)
{
bGetNewShader = !m_spMaterial->IsShaderCurrent(m_spCachedShader,
pkGeometry, pkState, pkEffects, m_uiMaterialExtraData);
}
// Get a new shader
if (bGetNewShader)
{
NiShader* pkNewShader = m_spMaterial->GetCurrentShader(
pkGeometry, pkState, pkEffects, m_uiMaterialExtraData);
if (pkNewShader)
{
NIASSERT(m_spCachedShader != pkNewShader);
ClearCachedShader();
m_spCachedShader = pkNewShader;
if (!pkNewShader->SetupGeometry(pkGeometry, this))
ClearCachedShader();
}
else
{
ClearCachedShader();
}
}
m_eNeedsUpdate = UNKNOWN;
}
return m_spCachedShader;
}
如果想通過NiFragmentMaterial實(shí)現(xiàn)自己的shader tree就需要在NiFragmentMaterial提供的接口中實(shí)現(xiàn)自己拼裝代碼的邏輯，代碼塊由NiMaterialLibraryNode封裝，NiMaterialLibraryNode既可以直接寫C++代碼來定義，也可以先寫成XML腳本，再由專門的解析工具轉(zhuǎn)換成C++代碼。
由NiStandardMaterial生成的shader代碼文件如下圖所示：
文件名就是NiMaterialDescriptor的掩碼，用來標(biāo)識(shí)的shader代碼的行為。
Shader代碼的行為描述如下：
Shader description:
APPLYMODE = 1
WORLDPOSITION = 0
WORLDNORMAL = 0
WORLDNBT = 0
WORLDVIEW = 0
NORMALMAPTYPE = 0
PARALLAXMAPCOUNT = 0
BASEMAPCOUNT = 1
NORMALMAPCOUNT = 0
DARKMAPCOUNT = 0
DETAILMAPCOUNT = 0
BUMPMAPCOUNT = 0
GLOSSMAPCOUNT = 0
GLOWMAPCOUNT = 0
CUSTOMMAP00COUNT = 0
CUSTOMMAP01COUNT = 0
CUSTOMMAP02COUNT = 0
CUSTOMMAP03COUNT = 0
CUSTOMMAP04COUNT = 0
DECALMAPCOUNT = 0
FOGENABLED = 0
ENVMAPTYPE = 0
PROJLIGHTMAPCOUNT = 0
PROJLIGHTMAPTYPES = 0
PROJLIGHTMAPCLIPPED = 0
PROJSHADOWMAPCOUNT = 0
PROJSHADOWMAPTYPES = 0
PROJSHADOWMAPCLIPPED = 0
PERVERTEXLIGHTING = 1
UVSETFORMAP00 = 0
UVSETFORMAP01 = 0
UVSETFORMAP02 = 0
UVSETFORMAP03 = 0
UVSETFORMAP04 = 0
UVSETFORMAP05 = 0
UVSETFORMAP06 = 0
UVSETFORMAP07 = 0
UVSETFORMAP08 = 0
UVSETFORMAP09 = 0
UVSETFORMAP10 = 0
UVSETFORMAP11 = 0
POINTLIGHTCOUNT = 0
SPOTLIGHTCOUNT = 0
DIRLIGHTCOUNT = 0
SHADOWMAPFORLIGHT = 0
SPECULAR = 1
AMBDIFFEMISSIVE = 0
LIGHTINGMODE = 1
APPLYAMBIENT = 0
BASEMAPALPHAONLY = 0
APPLYEMISSIVE = 0
SHADOWTECHNIQUE = 0
ALPHATEST = 0
NiStanderMaterial就是根據(jù)這些掩碼的數(shù)據(jù)來生成shader代碼，用戶可以通過重載GenerateVertexShadeTree、GeneratePixelShadeTree、CreateShader這些接口來定義自己的shader生成規(guī)則。
增加自己的渲染效果：
通過前幾節(jié)我們可以了解到，想定義自己的材質(zhì)，一是通過編寫shader代碼完成。在應(yīng)用程序初始化的時(shí)候，這些shader代碼會(huì)被初始化成NiShader對(duì)象，進(jìn)一步的通過NiShader對(duì)象來初始化NiSingleShaderMaterial對(duì)象，并分配給渲染對(duì)象。在GameByro默認(rèn)的渲染流程中，這些步驟都是自動(dòng)進(jìn)行的，美術(shù)只需在3DMAX插件中為幾何體的材質(zhì)指定Shader程序，導(dǎo)出到nif文件，應(yīng)用程序就能正確加載并渲染；二是定義自己的NiMaterialFragment類，在類中定義如何生成shader，在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)只要將這個(gè)類的實(shí)例指派給幾何體，這個(gè)類就會(huì)自動(dòng)為幾何體生成shader。這兩種方式對(duì)于美術(shù)人員來說，主要區(qū)別在于，采用第一種方法定義的材質(zhì)，其渲染數(shù)據(jù)的設(shè)置必須嚴(yán)格符合shader代碼中所需的數(shù)據(jù)，否則就會(huì)報(bào)錯(cuò)。（比如說，頂點(diǎn)數(shù)據(jù)流必須嚴(yán)格符合shader程序的定義，必須為shader中每個(gè)采樣器提供格式正確的紋理）；而采用第二種方法定義的材質(zhì)，就有很高的容錯(cuò)和適應(yīng)性，但是這種容錯(cuò)性和適應(yīng)性需要自己寫代碼來完成，GameByro提供的NiStanderMaterial就提供了這套完整的機(jī)制。每個(gè)貼圖槽內(nèi)的貼圖如果你設(shè)置就會(huì)生成相應(yīng)的貼圖處理流程，如果不設(shè)置，就沒有這張貼圖的處理流程。
為了驗(yàn)證這個(gè)過程，筆者嘗試增加了一個(gè)自己的shader特效——SubSurfaceScattering，簡稱3s，其原理是模擬光在半透明物體中散射的效果。由于該效果無須預(yù)處理過程，所有的貼圖均來自磁盤文件，所以比較容易融合到GameByro工作流中。
筆者將在FX COMPOSER中調(diào)試通過的fx文件放入SDK中的SDK\Win32\Shaders\Data目錄下，在3DMAX的材質(zhì)面板選擇GameByroShader，然后就可在顯示shader的組合框中看到文件中定義的Techinqe，選擇點(diǎn)擊apply按鈕，就會(huì)出現(xiàn)自定義的參數(shù)調(diào)整界面。
通過調(diào)整參數(shù)，最終得到皮膚和玉器的渲染效果如下：
皮膚
玉器
總結(jié)
GameByro的這套開發(fā)流程非常方便直觀，但是美術(shù)僅能為shader程序分配靜態(tài)的數(shù)據(jù)源，比如說光照?qǐng)D等，CubeMap等；而一些在程序中實(shí)時(shí)生成的紋理數(shù)據(jù)則無法整合到美術(shù)工具中，比如說陰影圖、折射圖、反射圖等，這些都需要程序?qū)懘a來實(shí)現(xiàn)。調(diào)試起來就不大方便了。大部分情況下，我們只需要使用GameByro提供的NiStanderMaterial就可以完成大部分材質(zhì)的需求，特殊的效果可以自己寫shader或者通過引擎提供的shader庫來完成，只有當(dāng)我們需要即根據(jù)復(fù)雜的情況做很多不同的處理時(shí)，我們才需要重載NiFragmentMaterial搭建自己的shader tree。不過搭建shader tree的程序一般比較復(fù)雜，編寫難度大，雖然引擎允許通過XML文件來編寫材質(zhì)節(jié)點(diǎn)，但是使用起來仍然不方便。GameByro并沒有提供相關(guān)的后期處理的開發(fā)工具，后期處理的特效并不能所見即所得，這方面還需完善。
GameByro為幾何體在特定的環(huán)境下生成專用的shader代碼，具有一定的靈活性，但是也付出了以下代價(jià)：
l 分析幾何體的屬性和當(dāng)前狀態(tài)，為其生成shader代碼的過程有性能損耗。
l Shader代碼生成后會(huì)保存到磁盤文件中，這個(gè)過程如果不使用異步，可能會(huì)引起阻塞。
l 生成的NiShader對(duì)象會(huì)有內(nèi)存消耗。由于GameByro默認(rèn)的實(shí)現(xiàn)是將所有的shader文件初始化成NiShader對(duì)象，所以當(dāng)游戲運(yùn)行的時(shí)間久了以后會(huì)生成大量的shader文件，這時(shí)候內(nèi)存的消耗可能會(huì)很可觀，同時(shí)加載的時(shí)間也會(huì)增加。不過可以自己控制加載的流程，在這里進(jìn)行性能優(yōu)化。
作者：葉起漣漪